机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2024年第7期

• CQDs/g-C3N4复合材料合成及其光催化性能的研究进展

  刘志信, 刘成宝, 郑磊之, 陈丰, 钱君超, 邱永斌, 孟宪荣, 陈志刚

  石墨氮化碳（g-C3N4）在新能源开发和环境修复方面具有巨大的应用潜力,但纯g-C3N4存在的光吸收范围小、结晶度高、光生载流子复合率高和活性位点偏少等缺点限制了其应用范围。引入碳量子点（CQDs）构建复合相,可以增加g-C3N4的反应活性位点,加快其表面电荷的转移,抑制载流子的复合,从而提升其光催化活性。对CQDs的制备方法和原料来源,以及CQDs/g-C3N4复合材料的合成方法（溶剂热法、煅烧法、自组装法）和光催化性能的提升策略等方面的研究进展进行了综述,介绍了近年来CQDs/g-C3N4复合材料在氢气制取、污染物降解、抗菌方面的应用,最后对CQDs/g-C3N4复合材料的未来发展方向进行了展望。

• 基于小冲杆试验的纯钨韧脆转变温度测定及其变形特性

  黄俊, 袁国虎, 左彤, 魏松, 吴玉程

  在不同温度（25,200,300,400,500?℃）下对纯钨进行小冲杆试验,获得断裂能与温度之间的关系,拟合得到纯钨的韧脆转变温度；对不同温度小冲杆试验后的纯钨断口形貌进行观察,探究纯钨在小冲杆试验中的变形特性。结果表明：在25,200?℃下纯钨处于完全脆性状态,在300?℃下处于半脆性状态,而当温度达到400?℃后,纯钨表现出良好的塑性；在250~400?℃范围内纯钨的断裂能急剧升高,拟合得到的韧脆转变温度为（342±8）℃。当温度低于韧脆转变温度,纯钨断口存在沿轧制方向的长直裂纹,断裂特征随温度升高由沿晶断裂向穿晶断裂转变；当温度高于韧脆转变温度,断口出现帽形挤出形貌以及环形裂纹和短缺口裂纹,并且环形裂纹处存在大量韧窝,断裂特征为韧性断裂,且短缺口裂纹处出现钨分层现象。

• 基于数字图像相关技术的微合金化25Cr35NiNb钢焊接接头蠕变变形表征

  储亮, 周煜, 鄢家乐, 刘晓亮

  采用数字图像相关（DIC）技术通过分区引伸计与平均化法获得了在900?℃和不同应力水平（37~55?MPa）下乙烯裂解炉管常用微合金化25Cr35NiNb钢焊接接头不同区域的高温蠕变应变曲线,结合显微组织分析探讨了蠕变损伤机理；采用由DIC技术获得的高温蠕变变形数据和基于遗传算法的全局优先算法进行参数识别,建立基于双曲正弦函数的蠕变本构模型,采用该模型对不同应力水平下焊接接头不同区域的蠕变变形行为进行预测,并进行试验验证。结果表明：在相同应力水平下焊接接头焊缝区域的最小蠕变应变速率比母材区域小,说明焊缝区域的抗蠕变变形能力优于母材区域；与焊缝区域相比,母材区域更早进入蠕变第三阶段,且蠕变变形更大,靠近熔合线3~5?mm处母材区域是整个焊接接头的薄弱区域。随着应力水平的降低,母材区域的骨架状碳化物M7C3相向块状、链状M23C6相转变,蠕虫状NbC相向粗大块状G相转变,同时晶内析出大量弥散分布的M23C6二次碳化物,G相与基体界面处形成蠕变空洞并相互连接形成裂纹；不同应力水平蠕变试验后焊缝区域组织仍保持骨架状形态,蠕变损伤程度较小。蠕变本构模型预测得到的蠕变应变与试验结果吻合较好,平均相对误差小于5%,说明该模型能够较好地预测微合金化25Cr35NiNb钢焊接接头的非均质蠕变变形行为。

• 轧制变形量对Al/AZ31/Al复合板组织和界面结合性能的影响

  王德峰, 唐昌平, 唐燕生

  用两块1060纯铝轧制板夹持固溶态AZ31镁合金板组成“三明治”结构,在400?r·min?1轧辊转速、400?℃轧制温度下进行轧制制备Al/AZ31/Al复合板,研究了轧制变形量（30%,45%,60%,80%）对复合板组织及界面结合性能的影响。结果表明：当轧制变形量为30%时,镁合金板与一侧铝板尚未复合,镁合金晶粒粗大,并存在大量孪晶；当轧制变形量为45%时,镁合金板与两侧铝板结合紧密,镁合金发生了动态再结晶,晶粒细化；当轧制变形量为60%和80%时,镁合金晶粒进一步细化,但界面处铝板出现开裂。随着轧制变形量由45%增加到80%,界面结合力降低。当轧制变形量为45%时,拉伸力达到峰值后趋于稳定,复合板各部位界面均结合良好；当轧制变形量为60%时,拉伸力达到峰值后先降低再趋于稳定,各部位界面结合力差异较大；当轧制变形量为80%时,拉伸力呈分阶段上升的趋势,各部位界面结合力的差异更大。复合板获得较优的组织和界面结合性能的轧制变形量为45%。

• 不同形貌碳基纳米材料的添加对冷冻机油摩擦学性能的影响

  邓巧, 邢美波, 孙非凡, 王瑞祥

  在冷冻机油中添加零维球形富勒烯（CB）、一维碳纳米管（CNTs）、二维层状石墨烯（GE）3种不同形貌的碳基纳米材料制备纳米冷冻机油,研究了在含不同质量分数（0.01%~0.10%）碳基纳米材料冷冻机油润滑条件下钢球-钢盘摩擦副的摩擦因数以及钢盘磨损行为。结果表明：随着碳基纳米材料添加量的增加,平均摩擦因数呈先降低后升高的趋势,磨损体积基本呈先升后降再升的趋势。当零维球形CB、一维CNTs、二维层状GE的质量分数分别为0.02%,0.05%,0.02%时,摩擦副的平均摩擦因数最小,分别比纯冷冻机油润滑条件下减小了约10%,12%,12%,零维球形CB降低摩擦因数的能力较弱,而一维CNTs和二维层状GE的能力较强,且较低含量二维层状GE可以达到较高含量一维CNTs的减摩效果。当零维球形CB、一维CNTs、二维层状GE的质量分数分别为0.02%,0.03%~0.05%,0.02%~0.05%时,磨损体积均最小,分别比纯冷冻机油润滑条件下减小了约59%,8%,36%。二维层状GE的综合减摩效果最佳,在添加GE的冷冻机油润滑条件下摩擦副的摩擦因数变化最平稳,磨损体积较小。

• 应变幅对低层错能Fe-Mn-Si系合金室温低周疲劳性能的影响

  管前庆, 杨蔚涛, 杨旗

  在低加载应变速率（8×10?3 s?1）下对退火态低层错能Fe-29.4Mn-4.3Si-1.4Al-0.049C合金进行室温低周疲劳试验,研究了不同应变幅（1%,2%,3%）下合金的低周疲劳性能以及疲劳断裂后的微观结构,揭示应变幅对低周疲劳变形行为和疲劳寿命的影响规律和作用机制。结果表明：随着应变幅的增加,试验合金的疲劳寿命显著缩短,疲劳变形行为均表现出初始循环硬化、循环饱和、二次循环硬化的三阶段加工硬化特征；增大应变幅会增加循环加工硬化程度及其随循环次数的增加速率,缩短初始循环硬化阶段和循环饱和阶段。随着应变幅的增加,试验合金中的ε马氏体平均转变速率增大,疲劳断裂后组织中不可逆块状ε马氏体含量增多,尺寸增大,且组织内部应变分布的不均匀程度增大。试验合金的疲劳变形机制为Shockley不全位错的平面滑移和ε马氏体的相变及逆相变。增大应变幅会提高疲劳变形的平均峰值应力,促进Shockley不全位错分离和块状ε马氏体生成,增大块状ε马氏体的尺寸,削弱ε马氏体相变可逆性和变形可逆性。

• 纳米莫来石添加量对聚脲润滑脂摩擦学性能的影响

  李国涛, 何强, 许泽华, 张磊, 陈勇刚, 杜治材

  将不同质量分数（0.01%,0.03%,0.05%,0.10%,0.40%）的纳米莫来石添加到聚脲润滑脂中,采用四球摩擦试验机评价纳米莫来石的添加量对聚脲润滑脂摩擦学性能的影响,并研究了纳米莫来石的减摩抗磨机理。结果表明：随着聚脲润滑脂中纳米莫来石添加量的增加,摩擦副的稳定摩擦因数和磨痕宽度均呈先减小后增大的趋势,在纳米莫来石质量分数为0.03%时达到最小值,分别为0.058?7,0.64?mm,相比于未添加莫来石的基础润滑脂润滑条件下分别降低9.3%和11.1%。添加纳米莫来石的聚脲润滑脂优异的摩擦学性能归因于在摩擦过程中形成了由聚脲润滑脂、含C—O键的化合物、氮氧化物与莫来石组成的润滑膜。莫来石中的SiO2有助于降低接触压力,使摩擦副的摩擦方式向滚动摩擦转变,而Al2O3能够填充摩擦副表面的凹坑与凹陷,促进润滑膜的形成；2种成分所发挥的协同作用使得聚脲润滑脂表现出良好的润滑效果。

• 石墨烯化学镀铜对放电等离子烧结石墨烯增强铝基复合材料组织和性能的影响

  周浪, 陈猛, 谭东灿, 苏玉琴, 钟钢, 邹爱华, 李志鹏

  通过化学镀方法得到镀铜石墨烯粉末,再通过静电自组装方法将镀铜石墨烯粉末与铝粉混合,然后经放电等离子烧结工艺制备镀铜石墨烯增强铝基复合材料,研究了不同质量分数(0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%)镀铜石墨烯增强铝基复合材料的微观结构和性能,并与质量分数0.1%未镀铜石墨烯增强铝基复合材料进行对比。结果表明：镀铜石墨烯在复合材料中分散均匀,复合材料的相对密度均在99%以上；铝和铜发生反应生成了中间相Al2Cu,但未有Al4C3界面相生成；镀铜石墨烯增强铝基复合材料的硬度和耐磨性能均优于未镀铜石墨烯增强铝基复合材料；随着镀铜石墨烯含量的增加,复合材料的硬度先升高后降低,磨损质量损失和摩擦因数均呈先减小后增加的趋势。当镀铜石墨烯的质量分数为0.2%时,复合材料具有优异的综合性能,其硬度为74.7 HV,磨损质量损失和摩擦因数均最小,分别为0.002?3?g和0.259,磨损机制为氧化磨损。

• 钆掺杂La2Ce2O7电子结构和性能的第一性原理计算

  鲁昊天, 杨鲲, 李文戈

  利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了不同钆掺杂量（La1?xGdx）2Ce2O7（x为物质的量分数,取0,0.25,0.50,0.75,1.00）的几何结构、电子结构、力学和热学性能。结果表明：（La1?xGdx）2Ce2O7能带结构为Γ-X间接带隙,带隙随着x的增加而减小；随着x的增加,（La1?xGdx）2Ce2O7的晶格常数和体积先减小后增大,相对分子质量增大,密度先增大后减小；（La1?xGdx）2Ce2O7的力学性能均符合Born-Huang稳定性判据,说明（La1?xGdx）2Ce2O7具有良好的力学稳定性；Pugh比（剪切模量与体模量之比）小于0.571,泊松比大于0.26,说明（La1?xGdx）2Ce2O7具有良好的韧性,具备承受热循环应力的能力；（La1?xGdx）2Ce2O7的最小热导率在0.98~1.26?W·m?1·K?1之间,低于氧化钇稳定氧化锆,表明（La1?xGdx）2Ce2O7具有良好的热学性能,可以作为热障涂层的候选材料。

• 非对称循环载荷下TA2工业纯钛疲劳损伤行为的预测

  姜学艳, 包骐乐, 代巧

  对TA2工业纯钛进行应力控制的非对称载荷疲劳试验,研究了不同最大应力（245,253,270,300?MPa）下纯钛的疲劳寿命和断口形貌,分析了非对称循环载荷下的应变演变以及应力-应变响应；基于连续损伤力学理论,建立了基于棘轮应变和总应变能密度的疲劳损伤演变预测模型,对纯钛的疲劳损伤过程进行预测,并与试验结果进行对比。结果表明：随着最大应力的降低,TA2工业纯钛的疲劳寿命延长。当最大应力为245,253?MPa时,塑性韧断区面积较小,断口中出现疲劳裂纹扩展区,失效机制为疲劳开裂及裂纹扩展失效,疲劳应变演变由加载初始阶段、稳定阶段和失效阶段组成,随最大应力的增加,塑性应变能密度以及相同疲劳寿命对应的平均应变均增大。当最大应力为270,300?MPa时,断口主要由纤维状的塑性韧断区组成,失效机制为循环塑性大变形失效,此时疲劳应变演化的稳定阶段不明显,随最大应力的增加,塑性应变能密度增大幅度较大,且当循环次数达到70%疲劳寿命时,270?MPa最大应力下的平均应变较大。基于棘轮应变的疲劳损伤演变预测模型对于疲劳中后期（循环次数不低于40%疲劳寿命）损伤值的预测效果较好,最大相对误差不超过12.5%；基于总应变能密度的疲劳损伤演变预测模型预测的损伤值相对误差基本在23%以内,整体预测稳定性较差。

• 有限元模拟和神经网络相结合的喷丸处理SAE9254钢疲劳寿命预测

  申建国, 汪舟, 卢伟, 罗素晖, 王晓丽, 罗雄, 郑文文, 汪帆星, 张旭

  采用ABAQUS有限元软件建立基于Python脚本的随机多弹丸喷丸模型,对不同弹丸直径、不同弹丸速度和不同喷丸覆盖率下喷丸处理后悬架弹簧用SAE9254钢的残余应力分布和表面粗糙度进行预测,并与试验结果进行对比；基于有限元模拟结果结合神经网络模型对试验钢的疲劳寿命进行预测,并进行试验验证。结果表明：模拟得到SAE9254钢的残余应力沿深度方向的变化曲线与试验结果吻合较好,最大残余压应力的相对误差约为14.77%,表面粗糙度的相对误差约为3.18%,建立的随机多弹丸喷丸模型能够准确地预测SAE9254钢喷丸后的残余应力分布及表面粗糙度。采用有限元模拟与神经网络相结合的方法得到的疲劳寿命预测值和试验值的平均相对误差为6.85%,该方法可以准确地预测SAE9254钢的疲劳寿命。

• 多点激光冲击强化50CrVA合金钢残余应力场的数值模拟

  李晖, 王宝钢, 蔡敏, 杨军胜

  基于ABAQUS/Explicit软件模块的显示动态分析方法,建立50CrVA合金钢激光冲击强化的有限元模型,对单点圆形光斑下松弛持续时间的收敛性进行研究,确定松弛持续时间,采用有限元模拟方法研究了圆形光斑多点激光冲击强化后冲击区域的残余应力分布,并与试验结果进行对比；采用该模拟方法分析了圆形和方形光斑单点激光冲击强化过程中应力波的分布与强化后残余应力的分布,以及多点激光冲击强化时激光功率密度、光斑形状对残余应力场的影响。结果表明：确定的松弛持续时间为0.000?1?s；模拟得到圆形光斑多点激光冲击强化后残余压应力随深度的增大而减小,变化趋势与试验结果基本吻合,最大残余压应力的相对误差为6.8%,验证了有限元模型的准确性；在相同能量输入条件下,光斑的形状不会影响单点激光冲击强化后的残余应力场；随着平均激光功率密度的增加,最大残余压应力均增大；方形光斑多点激光冲击强化后的最大残余压应力（704?MPa）略高于圆形光斑多点激光冲击强化（692?MPa）,方形光斑和圆形光斑多点激光冲击强化后的表面残余应力波动率分别为10.9%,12.9%,方形光斑多点激光冲击强化后的残余应力分布更均匀。

• TC17钛合金表面残余应力的点阵式维氏压痕测试

  李虎, 陈辉, 彭晖, 傅作华, 孟铮, 黄龙超, 肖继玲, 赵鹏辉, 任智勤, 罗贤凯

  采用点阵式维氏压痕测试方法得到TC17钛合金表面12个测试点的载荷-深度曲线；通过等效材料维氏压痕模型计算合金表面12个测试点的双向残余应力和单向残余应力,将残余应力值代入ANSYS 19.2有限元分析软件中得到载荷-深度曲线,并进行试验验证。结果表明：试验得到表面不同测试点的应力均为残余拉应力；采用有限元方法模拟得到双向残余应力和单向残余应力下的载荷-深度曲线与试验结果吻合较好,载荷-深度曲线的加载曲率的相对误差均小于1.5%,等效材料维氏压痕模型可以准确地预测合金表层单向残余应力和双向残余应力分布。

• 冷金属过渡电弧增材制造高强钢过程中温度场的数值模拟

  贾剑平, 骆敏, 李虹钢

  基于冷金属过渡（CMT）高频熄弧的特性,在双椭球热源模型的基础上建立了动态热源模型,采用ABAQUS软件建立了高强钢CMT电弧增材制造单道十层成形件的有限元模型,对成形过程中的温度场进行模拟,并与试验结果进行对比；采用模拟方法研究了层间冷却时间（30,60,90?s）和基板预热温度（20,200,300?℃）对温度场的影响规律。结果表明：模拟得到基板表面距焊道中心20.5?mm处的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,波峰和波谷温度的相对误差均在10％以内,证明了模型的准确性。沉积下一层时仅对前一层起到重熔作用；在沉积过程中,熄弧端的峰值温度高于起弧端,而在冷却过程中,两端温度差逐渐降低。随着层间冷却时间的延长,熔池最高温度降低且熔池存在的时间变短,在冷却阶段的冷却速率增大但其增大的程度降低,成形件两端温度差降低,最佳层间冷却时间为90?s；随着基板预热温度的升高,熔池的最高温度和熔池尺寸均增加,最大波谷温度差先减小后增大,在基板预热200?℃条件下,成形件的最大波谷温度差最小,温度分布更加均匀。

• 车用7075铝合金板的各向异性和拉压不对称屈服行为

  薛浙瀛, 方许铖, 杨宁, 娄燕山

  对退火态7075铝合金板进行了不同加载方向（与轧制方向呈0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°）下的单轴拉伸与单轴压缩试验以及液压胀形试验,研究了屈服行为；通过耦合静水压力项修正了Yld2004-18p各向异性屈服函数,对铝合金板的屈服强度进行预测,并与试验结果进行了对比。结果表明：不同加载方向或加载方式下,试验合金板的屈服强度不同,合金板具有显著的屈服各向异性和拉压不对称性；修正后的非对称各向异性屈服函数预测的屈服强度和试验值之间的总相对误差仅有0.000?5,可以准确描述7075铝合金板各向异性和拉压不对称屈服行为。

• 某核电厂汽轮发电机组末级叶片拉筋凸台的断裂原因

  闵济东, 罗贤龙, 文学, 李祥奎, 张寅, 王方方, 陈碧强

  某核电厂汽轮发电机组低压缸末级叶片在累积运行约72个月后,在拉筋凸台处发生了断裂,通过宏观形貌观察、化学成分分析、显微组织观察以及硬度测试等方法分析了拉筋凸台的断裂原因。结果表明：末级叶片拉筋凸台断裂性质为疲劳断裂,发生断裂的原因是相邻叶片拉筋凸台的实际配合状态不佳,造成拉筋凸台表面受力不均匀,局部承受的挤压力过大,使得拉筋凸台在汽轮发电机轴转动时承受不均匀的接触摩擦,在交变载荷的作用下,疲劳裂纹在接触面受力最大的粗糙表面处萌生并逐渐扩展,最终导致拉筋凸台的局部断裂。